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Drehkolben-Flüssigkeitsmotor Die Erfindung betrifft einen Drehkolben-Flüssigkeitsmotor
mit mindestens einem an einer Nabenscheibe befestigten Verdrängerkolben, der in
einem ringzylindrischen Arbeitsraum rotiert, welcher von an seiner Umfangswand schwingbeweglich
angelenkten Klappen unterteilt wird, die nur durch den bzw. die Verdrängerkolben
bei dessen bzw. deren Durchgang abgehoben werden, wobei die Nabenscheibe deutlich
schmäler ist als die axiale Länge des Verdrängerkolbens, so daß die Klappen in ihrer
Schließstellung an den axial äußeren Bereichen des Arbeitsraumes an rohrförmig nach
innen vorstehenden Schultern der Arbeitsraumstirnwände anliegen.
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Durch diese nach innen vorstehenden Schultern soll erreicht werden,
daß über einen großen Teil oder gar den größeren Teil der Länge des Arbeitsraums
die Längkanten am schwingenden Teil der Trennklappen in der Schließstellung möglichst
dichtend an einem ortsfesten Gehäuseteil anliegen und nur zum kleineren Teil ihrer
Länge gegenüber einem rotierenden Teil dichten müssen. Dies ist gerade bei langsam
laufenden Flüssigkeitsmotoren erforderlich, weil sich hier zwischen den Klappenlängskanten
und dem Rotor kein tragfähiger ölfilm bildet und im Fall der Gleitberührung zwischen
den Klappen und dem Rotor der Flüssigkeitsdruck eine Bremswirkung der Klappen auf
dem Rotor ausübt.
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Bei einem bekannten Flüssigkeitsmotor der eingangs erwähnten Art mit
zwei Trennklappen und einem langen Verdrängerkolben an einer verhältnismäßig sehr
schmalen Nabenscheibe sind zwei Einlaßkanäle in der Außenumfangswand des Arbeitsraums
vorgesehen. Diese Kanäle münden an weiten Ausnehmungen der Arbeitsraumwand, in die
die Klappen beim Vorbeigleiten des Verdrängerkolbens einschwenken, in den Arbeitsraum
ein. Diese Ausnehmungen sind in Umfangsrichtung so weit bemessen, daß zweimal während
einer Rotorumdrehung kurzzeitig Druckflüssigkeit zur Niederdruckseite der Maschine
übertreten kann, was Leistungsverluste und Stöße beim Arbeiten des Motors verursacht.
Die Nabenscheibe des Rotors hat nicht eine volle Kreisform, sondern ist so ausgenommen,
daß die Arbeitsflüssigkeit an der Niederdruckseite des Kolbens in den als Auslaßkanal
dienenden Hohlraum innerhalb der Gehäuseschultern abfließen kann. Die Klappen werden
nur durch den Flüssigkeitsdruck gegen die rohrförmigen Gehäuseschultern oder gegen
den Kolben gedrückt.
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Bei einer Drehkolben-Expansionsmaschine ähnlicher Art, bei welcher
in dynamischer Umkehrung der meist üblichen Bauart die Innenumfangswand und die
Außenumfangswand des Arbeitsraums mit den Trennklappen zum Rotor werden, zwischen
denen zwei Verdrängerkolben als Statorteile stehenbleiben, sind als Einlaß Schlitze
in der Rotoraußenwand neben den Klappen vorgesehen, während Öffnungen in einer Gehäusestirnwand,
die durch rotierende Wandteile abwechselnd verdeckt werden, als Auslaßöffnungen
dienen. Auch hier werden die Klappen nur durch den Flüssigkeitsdruck gegen die Innenumfangswand
des Arbeitsraums gedrückt, so daß bei geringem Flüssigkeitsdruck das Anliegen der
rotierenden Klappen nicht mit Sicherheit gewährleistet sein dürfte.
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Ferner ist ein Flüssigkeitsmotor bekannt, bei dem ebenfalls das Gehäuse
als Rotor dient und der Verdrängerkolben, der im Querschnitt ungefähr Eiform hat,
als Statorkern feststeht. Rohrförmige Gehäuseschultern sind hier nicht vorhanden,
und der Kolben ist so lang wie der Arbeitsraum, so daß die inneren Kanten der Trennklappen
an der Umfangswand des Kolbens entlanggleiten. Die Zu- und Ableitung der Arbeitsflüssigkeit
erfolgt durch axiale Kanäle in der Achse des Kolbens und durch ungefähr radiale
Kanäle im Kolben, die neben der Stelle ausmünden, mit der der Kolben sich dichtend
der Innenumfangswand des Arbeitsraums annähert. Die Trennklappen werden immer durch
Federn, die in taschenartigen Bohrungen der Umfangswand des Arbeitsraums verschwinden
können, gegen den Verdrängerkolben gedrückt. Wenn dann gar noch drei Paare von bezüglich
der Drehrichtung gegeneinandergerichteten Trennklappen vorgesehen sind, von denen
je nach der Drehrichtung immer drei unwirksam sind und durch den Flüssigkeitsdruck
und den Federdruck in einem Gleichgewichtszustand gehalten werden, bilden die Taschen
für die Federn schädliche Toträume im Arbeitsraum, in denen nutzlos Druckflüssigkeit
wieder
zur Niederdruckseite geschleppt wird, was Stöße hervorrufen kann.
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Das gleiche gilt auch für einen bekannten Flüssigkeitsmotor, der für
Wasserbetrieb gedacht ist und bei dem zwei radial abstehende Teile des Rotors zusammen
als Verdrängerkolben wirken. Dadurch wird schon ein beträchtlicher Teil des Arbeitsraums
vom Kolben eingenommen. Die zur Unterstützung der Flüssigkeitsdruckwirkung neben
den Trennklappen vorgesehenen Federn sind ebenfalls in Kammern der Umfangswand des
Arbeitsraums angeordnet, wodurch schädliche Toträume gebildet sind. Die Zu-und Ableitung
der Arbeitsflüssigkeit erfolgt hier durch axiale und radiale Kanäle im Rotor bzw.
Kolben, der ebenso lang ist wie der Arbeitsraum.
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Bei einer bekannten Drehkolbenmaschine mit einem Verdrängerkolben
und zwei Paaren von Trennklappen, von denen jeweils je nach Drehrichtung nur ein
Paar verwendet wird und das andere Paar in Offenstellung gehalten wird, sind jeder
Trennklappe außerhalb des Arbeitsraums gelegene Hebel und Federn zugeordnet, die
dazu dienen, daß über- einen Nocken auf der Rotorwelle die Hebel betätigt werden,
um die Trennklappen schon in Offenstellung zu bringen, bevor der Verdrängerkolben
mit der Trennklappe in Berührung kommen könnte.
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Die bekannten Maschinen können kaum zufriedenstellend arbeiten, insbesondere
dann nicht, wenn sie als Druckflüssigkeitsmotoren mit ganz geringen Drehzahlen arbeiten
sollen. Beim Arbeiten in diesem Bereich müssen alle Möglichkeiten, durch die Druckflüssigkeit
verlorengehen kann oder Druckstöße entstehen können, wie z. B. die Bildung von Toträumen
und die unzweckmäßige Freigabe von Kanälen, vermieden werden. Durch die Erfindung
soll dies erreicht und ein Motor der eingangs erwähnten Art so ausgebildet werden,
daß er auch bei ganz geringen Drehzahlen mit möglichst gutem Wirkungsgrad arbeitet.
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Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Arbeitsmedium in
an sich bekannter Weise axial in den Rotor bzw. in die Nabenscheibe eingeleitet
und durch unmittelbar neben dem Verdrängerkolben ausmündende Kanäle des Rotors radial
und ohne Verwendung eines Steuerorgans dem Arbeitsraum zu- und abgeleitet wird und
daß ferner die Klappen gegen die Schultern und gegen die Rotorumfangsfläche durch
je eine außerhalb des Arbeitsraums angeordnete Feder angedrückt werden, welche über
einen Hebel mit der betreffenden Klappe verbunden ist. Hierdurch wird erreicht,
daß die Rückstellung der Trennklappen in ihre Arbeitslage durch außerhalb des Ringzylinderraums
liegende Klappenfedern erfolgt, für die also keine Kammern im Arbeitsraum erforderlich
sind, durch die schädliche Toträume gegeben sind. Da der Motor hauptsächlich nur
mit geringen Drehzahlen umlaufen soll, können auch in einer relativ schmalen Nabenscheibe
noch ausreichend weite Kanäle für das Arbeitsmedium untergebracht werden.
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Zur möglichst vielseitigen Anwendung des erfindungsgemäßen Motors
kann vorgesehen sein, daß für beide Drehrichtungen umschaltbare, in entgegengesetzter
Richtung schwingende Klappen vorhanden sind, welche gruppenweise zu- und abgeschaltet
werden können. Der bzw. jeder Verdrängerkolben kann mit Anlaufnasen versehen sein,
mit denen er die Klappen anhebt. Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt
durch den erf ndungsgemäßen Motor und F i g. 2 einen Teilquerschnitt und eine Teilstirnansicht
des Motors nach F i g. 1.
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Der Drehkolben-Flüssigkeitsmotor weist einen oder mehrere an einer
Nabenscheibe 2 angeordnete Verdrängerkolben 6 auf, die in einem ringzylindrischen
Arbeitsraum 1 umlaufen. Der Arbeitsraum 1 ist von den Gehäuse-bzw. Arbeitsraumstirnwänden
3' und 3" sowie der ringförmigen Außenumfangswand 4
begrenzt. Die Stirnwände
sind mit Hilfe von Schraubenbolzen 23 mit der Wand 4 verbunden. Von den Stirnwänden
3' und 3" ragen rohrförmige Schultern 3'a und 3"a derselben nach innen, die bis
fast an die Nabenscheibe 2 reichen. Diese rohrförmigen Schultern bilden den größeren
Teil der Innenumfangswand des Arbeitsraums 1.
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Der ringförmige Arbeitsraum 1 wird durch Trennklappen 5 in einzelne
Abschnitte unterteilt. An den Klappen 5 sind außerhalb des Arbeitsraums Schwenkhebel
14 befestigt, an denen Federn 16 angreifen, deren freie Enden am Gehäuse
bei 15 befestigt sind.
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Die Nabenscheibe 2 ist mittels der Rotorwelle 21 21a in Wälzlagern
13 drehbar gelagert und gegen die Stirnwände 3' und 3" mit Hilfe eines beispielsweise
aus Sintermetall bestehenden Dichtringes 7 abgedichtet. Der Dichtring wird durch
am Umfang verteilte kleine Kolben 8 gegen die Stirnwand 3' gepreßt, wobei die Räume
hinter den Kolben 8 durch Bohrungen 9 mit dem Arbeitsraum in Verbindung stehen,
so daß der die Dichtung anpressende Druck jeweils von dem im Arbeitszylinder herrschenden
Flüssigkeitsdruck abhängt.
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Auf der rechten Seite der F i g. 1 ist ein anderes Beispiel für eine
Abdichtung mit einem deformierbaren Dichtring 11 dargestellt, der an der Nabenscheibe
2 angeordnet und auf der Rückseite über einen Kanal 12 ständig mit Druckflüssigkeit
beaufschlagt ist.
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Die den ringzylindrischen Arbeitsraum 1 unterteilenden Trennklappen
5 sind in zwei Gruppen gegensinnig schwenkbar ausgebildet, so daß der Motor in beiden
Drehrichtungen laufen kann. Es gehören jeweils die Klapen 5 a und
5 c zu der einen und die Klappen 5 b und 5 d zu der hierzu entgegengesetzten
Drehrichtung. Bei völliger Offenstellung der Klappen 5, die in der rechten Hälfte
der F i g. 2 gezeigt ist, verschwinden die Klappen in entsprechenden Ausnehmungen
4 a der Außenumfangswand 4
des Arbeitsraums 1, so daß die Innenflächen
der Klappen in nach außen geschwenktem Zustand einen Teil der Innenfläche der Außenumfangswand
4 bilden. Die dabei an der Innenwand verbleibenden Unterbrechungen werden durch
elastisch nach außen gedrückte, im Verdrängerkolben 6 angeordnete Dichtleisten 19
überbrückt. Die Dichtleisten können hydraulisch oder durch Federn 20 nach außen
gedrängt werden und beispielsweise aus Kohle bestehen, um die Reibung gering zu
halten.
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Am Verdrängerkolben 6 sind beiderseits Auflaufnasen 17 vorgesehen,
die die Trennklappen 5 beim Betrieb aus der Schließstellung nach außen verdrängen,
soweit sie nicht bereits durch die sich vor dem Kolben stauende Arbeitsflüssigkeit
angehoben werden. Das Anheben der Trennklappen kann durch
entsprechende
Bemessung des Abstands der Kanäle 10 vom Kolben 6 erreicht werden. Diese
radial gerichteten Kanäle 10 sind in der Nabenscheibe 2 angeordnet.
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In F i g. 2 ist mit 10 b der Zuflußkanal für die Arbeitsflüssigkeit
in dem Arbeitsraum 1 und mit 10a der Abflußkanal bei Drehung des Rotors 2, 6 in
der durch den Pfeil angeordneten Richtung bezeichnet. Hierbei schließt die Feder
16 die Trennklappe 5 d, sobald der Kolben 6 an ihr vorbeibewegt worden ist,
und preßt in Verbindung mit der Druckwirkung der Arbeitsflüssigkeit die Klappe dann
fest gegen ihre Auflage, so daß sich hinter dem Kolben der Druck der bei 10 b ausströmenden
Arbeitsflüssigkeit auswirkt. Diese Auflage wird zum größten Teil durch die rohrförmigen
Gehäuseschultern 3'a und 3"a gebildet, so daß die Klappen keine Bremswirkung auf
die Nabenscheibe ausüben. Der Hebel 14 ist nicht fest mit der Klappenachse verbunden,
sondern ist ihr gegenüber um einen gewissen Winkel schwenkbar. Der Hebel ist zwischen
den Stellungen 14 b und 14 c beweglich, wobei die Stellung 14 b im Verhältnis zum
Befestigungspunkt 15 der Feder 16 auf der gegenüberliegenden Seite der Klappenachse
liegt. In dieser Stellung ist die betreffende Klappe ausgeschaltet und bleibt unbeweglich
in der für sie vorgesehenen Ausnehmung 4 a in der Außenumfangswand 4.
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Im nach F i g.1 rechten hohlen Wellenteil 21 a der Rotorwelle 21,
21 a ist noch ein Rohrstück 22 zentrisch angeordnet. Der ringzylindrische Zwischenraum
zwischen dem Rohrstück 22 und dem Hohlwellenteil 21 a sowie die Bohrung dieses Rohrstückes
22 dienen als axiale Zu- und Ableitungskanäle für die Arbeitsflüssigkeit des Motors
zwischen den Flüssigkeitsanschlüssen am Motorgehäuse 3, 4 und den radialen Kanälen
10 in der Nabenscheibe 2.
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Da, wie F i g. 1 zeigt, der Verdrängerkolben 6 im Querschnitt rechteckig
ausgebildet ist, sind auch die Klappen 5 rechteckig ausgebildet, wobei ihre Drehachsen
parallel zur Hauptachse der Nabenscheibe 2 verlaufen. Diese Form weist wegen der
langen Auflage einen guten Widerstand gegen Durchbiegung auf. Weil eine Abdichtung
zwischen gegeneinander beweglichen Maschinenteilen nur zwischen den Dichtungen 7
und 11 hergestellt zu werden braucht, ist es zweckmäßig, die Breite der Nabenscheibe
möglichst gering zu halten. Auch in dieser Hinsicht ist ein rechteckiger Querschnitt
des Kolbens vorteilhaft.
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Durch die Anordnung mehrerer Verdrängerkolben bei entsprechend mehrfacher
Anordnung der Trennklappen kann die Leistung des Motors bei gleicher Größe verdoppelt
und verdreifacht werden. Die Kanäle 10 werden in der Nabenscheibe 2 so weit vor
bzw. hinter dem Kolben 6 angeordnet, daß sie die Trennklappen frühzeitig genug unterlaufen
und zwischen der Kolbenvorderseite und der in Drehrichtung vorn befindlichen Trennklappe
eine Stauwirkung des Arbeitsmittels die Öffnungsbewegung der Klappe einleitet.